提高油田在用变频控制设备运行质量的探讨

于春光（大庆油田有限责任公司第八采油厂）

变频控制设备作为当今电气领域一种节能设备，在油田生产过程中得到广泛应用，也是智能化油田建设中不可缺少的一种重要智能控制装备。变频控制设备既是一种电气节能设备，又是一种智能控制设备，在智能化信息化油田建设过程中，引进大量变频控制设备投入生产现场应用，在抽油机井、注聚泵站、注汽站、注水泵站、油气集输泵站以及油田其它辅助生产设备中广泛应用，仅在胜利油田仙河地区在用各种油田变频控制国内外品牌设备已达2 000余台。油田应用变频控制设备具有以下两个方面优点：一是调速方便快捷。特别对油井来说能够实现电动机无级变速[1]，便员工对油井生产参数的及时调整，降低调参工作量，提高油井生产时率；二是节能效果明显。应用变频控制柜加普通电动机替代高耗能的调速电动机，节能效果明显；在油田螺杆泵井上（特别是供液不足），应用变频控制柜既可实现增产，又可实现节能降耗；对潜油电泵井应用变频调速节能控制柜，可以有效控制油井提液，且可降低油井提液单耗[2]。不仅在油井抽油机上，而且在注聚泵站、注汽站、注水泵站、油气集输泵站以及油田其它辅助生产设备中应用变频调速节能控制柜均取得了良好节电效果。但由于部分设备使用年限较长，设备故障率存在着明显上升趋势，如何提高变频器的运行质量，确保设备完好率，充分发挥变频调速节能降耗技术的作用显得尤其重要。

1 油田在用变频器存在的问题

通过对油田在用各种变频控制设备的调研分析，结合油田在用变频器的日常故障维修维护工作，油田在用各种变频控制设备主要存在以下几个方面问题：

1）在用各种变频控制设备品牌多，变频控制设备质量参差不齐。目前，油田在用各种变频控制设备品牌规格达到30余种，且自身质量参差不齐。油田引进应用各种变频控制设备时，既缺乏统一的产品质量标准，又缺乏专业化的产品质量检验手段，造成各用户单位对变频控制设备入厂要求不统一，设备产品质量难以得到有效保证。另一方面，由于在用各种变频控制设备品牌多，给用户使用日常维护保养和故障排除维修工作增加难度，影响到设备因故障维修不及时而造成设备的正常使用。

2）变频控制设备使用环境条件恶劣，特别是用于油井生产变频控制设备、注汽变频控制设备和高压增压注水泵控制设备。由于这些变频控制设备长期在野外工作场所工作，工作使用环境条件差，存在着变频控制设备故障率高的问题。

3）变频控制设备易产生电网谐波问题。变频控制设备易产生电网谐波问题的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波[3-5]。变频控制设备是一个典型的非线性负载，若在变频控制设备中没有采取谐波抑制措施，就会对电网产生谐波干扰信号，高次谐波电流会对电网供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰和不利影响。有的变频控制设备生产厂家为了降低设备成本，对变频控制设备未采取谐波抑制措施，造成供电线路谐波信号污染。

4）变频控制设备生产运行参数不合理。主要表现为启动时间设定过长，制动时间设定过短，启动频率设定和启动转矩设定等参数不合理，运行频率设定过大或过小，变频器载波频率设定值偏低，补偿电压过高，启动转矩过大等问题，造成变频控制设备运行不正常，设备非故障性频繁停机现象发生[6-7]。

5）电网电压过高或过低对变频控制设备的影响。部分油田生产电网处于供电电网的末端，易造成电网电压波动较大的问题，电网电压过高或低都会影响变频控制设备的正常运行。若变频器在运行过程中其输入电压高于或低于正常供电电压380 V的允许偏差范围，变频器就会发出停机保护。对于变频器来说，当输入电压为380 V时，变频器的输入整流电压的平均值为513 V，当变频器的输入整流电压高于在设计时规定的其容许承受的最高直流电压值时，变频器控制电路中的元器件就可能被损坏，为保护变频器的正常运行，每一台变频器均设有过电压保护电路，一般其允许最高电压值为760 V。当变频器的输入整流电压上升至760 V左右时，变频器过电压保护电路就会发出停机动作。同理，当变频器的输入整流电压低于在设计时规定的其容许承受的最低直流电压值时，变频器欠电压保护电路就会发出停机动作。

6）变频控制设备故障维修能力相对不足。由于部分设备老化严重，易损配件更换不及时，造成设备故障停机；现场操作人员对保养知识缺乏，造成维护维修保养不及时；现场工作环境太差，特别油井以及注汽锅炉在用变频控制设备，由于在野外工作存在高温、高压、风沙大等问题，且油田连续性生产要求，造成设备连续长时间不间断运行；设备规格型号多，技术资料缺乏，造成维修配件难买。

7）电网电压暂降对变频控制设备的影响。油田电网出现电压暂降后，出现油田变频控制设备大面积停机现象，不能通过远程控制系统实现远程启动操作，影响油田正常生产和生产时率。

8）外围其它控制设备对变频控制设备干扰的问题。如在油田油井变频控制设备柜中加装电网防闪控制器后，出现油田油井变频控制柜不能实现远程启停操作功能。

2 对策措施

针对油田在用变频控制设备存在的问题，提出提高在用变频控制设备质量的以下对策措施：

1）加强油田在用变频控制设备技术资料的收集与汇总。通过上网、与厂家联系等多种手段，加强技术资料的收集、整理和使用管理，确保维修技术资料齐全，配件问题通过及时与厂家或设备供应代理商联系协调解决。同时，充分挖掘社会资源，加强与变频控制设备生产厂家或代理供应商的联系，保证在用控制设备易损维修配件的及时供应。

2）制定油田在用变频控制设备相关企业技术标准和质量检测检验技术手段，把好入厂质量关。通过制定油田在用变频控制设备相关企业技术标准，建立专业化的用变频控制设备质量检测检验技术项目，对每一台变频控制设备实行入厂检测检验，确保油田入厂控制设备质量。

3）加强保养和维护，改善控制设备现场工作环境条件，尽量减少环境对设备的影响。通过加强教育和管理，强化日常巡检力度，同时开展变频控制设备日常保养知识的培训，提高现场职工使用保养知识。对特殊井站的变频控制设备加装停机应急报警器，提高故障报警效果，以便值班人员及时处理。对使用年限较长，且工作环境较差的控制设备，其冷却风扇、控制面板、以及充放电电容进行定期检测，发现存在故障缺陷的及时进行更换，以减少设备故障率。

4）对变频控制设备采取谐波抑制措施。采取的措施主要有：一是串接安装电抗器，通过采取在变频器的输出电路中串接电抗器的办法，来抑制5～19次谐波信号，其抑制效果明显；二是适当提高载波频率，有利于减少谐波信号。当变频器载波频率适当提高后，虽然会增加一点变频器自身能耗，但可改变变频器输出电流波型，正弦性能变好，毛刺减少，波形光滑，对抑制或减少谐波有利；三是增加变压器的容量，减少回路的阻抗，四是使用无源滤波器或有源滤波器。无源谐波抑制装置主要由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。

5）优化变频控制设备生产运行参数设置。通过组织职工学习变频器工作原理、使用方法和注意事项，提高现场操作人员的变频设备操作知识，掌握正确设备不同工况下的运行参数，以减少非故障性停机现象的发生。

在参数优化设置中，必须做到以下几点：一是启动时间设定原则是宜短不宜长。若启动时间过长，则易产生跳闸动作。通常启动时间设定经验值为1.5～2 s/k W，小功率取大些；大于30 k W，取大于2 s/k W为宜；二是制动时间设定原则是宜长不宜短，易产生过压跳闸，应以自由制动为宜，避免实行快速强力制动，防止“水锤”效应；三是启动频率设定对加速启动有利，尤以轻载时更适用，一般启动频率从0开始合适；四是启动转矩设定对加速启动有利，尤以轻载时更适用，一般启动转矩从0开始合适；五是制动时时间短或制动电阻过小时，易产生过电压，造成变频控制柜无法制动。解决办法是通过适当增长时间，增加电阻值就可避免；六是防止过补偿或启动时间短，就会造成启动时在低频小于或等于20 Hz时跳闸。原因是由于启动转矩大，保护值过小（包括过流值及失速过流值），解决办法是减小基底频率就可；七是变频器载波频率设定值偏低，通常出厂值为2.5 kHz，容易产生启动困难、使用变频器后电动机温升提高，振动加大，噪声增高以及谐波信号增大等问题，通过适当增高载波频率值后，问题就解决了；八是空载跳闸，按照空载不易跳闸，解决办法是适当减小或恢复出厂值或置于0位。

6）加强过电压和欠电压的正确处理。对于变频控制设备来说，对于不同的过电压产生原因不同，因采取不同的对策措施：一是对于采用能量消耗型的变频器，可采取在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制一个功率管的通断。当电压上升至700 V左右时，功率管导通，将再生能量通入电阻，以热能的形式消耗掉，从而防止直流电压的上升；二是对于采用能量回馈型的变频器，其网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时，可逆变流器将再生能量回馈给电网，使再生能量得到完全利用；三是对于采用并联直流母线吸收型的变频器，可采取通过共用的制动电阻消耗掉。对于变频控制设备来说，每一台变频器都设有直流母线过电压抑制电路，以避免因过电压保护动作而造成变频器停机。对于因欠电压引起的变频控制设备故障，则通过调整电网线路变压器输出来解决电网电压过低问题。

7）建立专业化的维修保障队伍。通过导师带徒，集中培训、现场维护实习、外出维修技术培训等方式，全面提高维修技术人员的维修技术水平和维修能力，增加现场维修工作经验。建立定期现场巡检工作制度，定期深入各生产现场了解和掌握在用变频控制设备的使用现状，特别对使用年限较长和使用环境在野外条件相对恶劣的设备进行重点跟踪维护；同时建立设备维修档案，减少维修设备返修率，确保节能控制设备的良好运行，充分发挥其最大效能，以求得节能设备效益最大化。

8）解决电网电压暂降对在用变频控制设备的影响。针对电压暂降对变频器正常运行的影响，解决这种情况的办法：一是可以采取在变频器的前级一定要配置交流进线电抗器[8]，进线电抗器能限制由于电网电源的突降而产生的电流冲击，从而保护变频器[9]；二是设置变频器自启功能。在电网系统电压暂降时，变频器可能因电压暂降而跳停，可以通过设置变频器自启，让变频器自动启动，或通过改变变频器控制电源的方法来躲过电压暂降。三是加装自启动重合控制器。此方法适用于对1.5 s以上的瞬时失压，只限于重要负荷电动机控制中采用。

9）对在用变频控制柜的整体优化，防止外围其它控制设备对变频控制设备干扰。通过优化在用变频控制柜的整体优化，实现在用变频控制柜整体质量提升，满足在用变频控制柜特别是油井变频控制柜的远程启停操作功能要求。

3 实施效果

1）节能变频控制设备运行质量明显提升。通过采取以上对策措施，油田在用变频控制设备运行质量状况得到一定程度的改善，在用变频控制设备运行质量有了明显提高，无故障运行时间得到延长，设备完好率指标和设备故障维修能力进一步提升，取得理想的工作效果。目前，油田在用变频器的设备完好率达到100%，现场设备在线检修率达到90%，现场维修质量得到显著提高。

2）降低设备故障维修费用。在用变频控制设备运行质量的提升，不仅满足了现场油气生产的需要，而且延长了各种泵类（机采、注聚、注水泵、输油泵和注汽泵）、压缩机、风机等设备的使用寿命，减少了各种机泵的故障率和维修费用。仅以胜利油田孤东采油厂为例，年降低设备故障维修费用10万元。

3）变频节能效益显著。仅以胜利油田孤东采油厂为例，目前在用各类节能变频控制设备1 260余台，年实现变频节能效益达400余万元，节能效果明显。

4）提升节能变频控制设备维修能力。提升节能变频控制设备通过开展变频控制设备专业化维修队伍建设，使油田企业真正掌握了变频控制设备的维修技术，提高了自身的维修能力，既锻炼了员工工队伍，又充分挖掘了企业内部潜力，发挥了员工技术优势，取得了良好的经济和社会效益。

4 结束语

提高油田在用变频控制设备运行质量是一项十分重要的工作。实践证明，加强油田在用变频控制设备技术资料的收集与汇总，制定油田在用变频控制设备相关企业技术标准和质量检测检验技术手段，把好质量入厂质量关，加强保养和维护，改善控制设备现场工作环境条件，尽量减少环境对设备的影响，对变频控制设备采取谐波抑制措施，优化变频控制设备生产运行参数设置，加强过电压和欠电压的处理，建立专业化的维修保障队伍，解决电网电压暂降对在用变频控制设备的影响，以及对在用变频控制柜的整体优化等措施均十分有效，有利于提高在用变频控制设备运行质量，实现更好的节能降耗效果。